CN101367021B - 具有减少的应力的电加热微粒过滤器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有减少的应力的电加热微粒过滤器。一种系统，其包括具有进口以接收排气的微粒(PM)过滤器。分区加热器布置在所述进口中且包括电阻加热器，所述电阻加热器包括N个区域，其中N是大于1的整数。所述N个区域中的每个包括M个子区域，其中M是大于1的整数。控制模块选择性地起用所述N个区域中的一个以在从所述N个区域中的所述一个的PM过滤器下游部分中启动再生，且停用所述N个区域中的其它区域。

Description

具有减少的应力的电加热微粒过滤器
政府权利声明
本公开依照美国政府与能源部(DoE)的合同号DE-FC-04-03AL67635产生。美国政府在该公开中具有一定的权利。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2007年8月14日提交的美国临时申请号60/955,743的优先权。
本申请涉及于2006年11月17日提交的美国专利申请号11/561,100、2006年11月17日提交的美国专利申请号11/561,108和2006年11月8日提交的美国专利申请号11/557,715。上述申请的内容通过参考全文并入。
技术领域
本公开涉及微粒(PM)过滤器，且更特定地涉及用于PM过滤器的灰分减少系统。
背景技术
该部分的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，且可能不构成现有技术。
诸如柴油发动机的发动机产生微粒(PM)，微粒通过PM过滤器从排气过滤。PM过滤器布置在发动机的排气系统中。PM过滤器减少在燃烧期间产生的PM排放。
随着时间的过去，PM过滤器装满。在再生期间，PM在PM过滤器内燃烧。再生包括将PM过滤器加热至PM的燃烧温度。有多种途径进行再生，包括修正发动机管理，使用燃料燃烧器，通过燃料后喷射使用催化氧化剂以增加排气温度，使用电阻加热线圈，和/或使用微波能量。
柴油PM在获得高于燃烧温度如600℃的温度时燃烧。燃烧的启动使得温度进一步增加。虽然火花点火式发动机典型地在排气气流中具有低氧气水平，但是柴油发动机具有显著较高的氧气水平。虽然增加的氧气水平使得PM过滤器的快速再生变成可能，它也可能引起一些问题。
使用燃料的PM减少系统趋于降低燃料经济性。例如，许多基于燃料的PM减少系统降低燃料经济性5％。电加热PM减少系统以可忽略的量降低燃料经济性。然而，难以实现电加热PM减少系统的耐用性。
发明内容
一种系统，其包括具有进口以接收排气的微粒(PM)过滤器。分区加热器布置在所述进口中且包括电阻加热器，所述电阻加热器包括N个区域，其中N是大于1的整数。所述N个区域中的每个包括M个子区域，其中M是大于1的整数。控制模块选择性地起用所述N个区域中的一个以在从所述N个区域中的所述一个的PM过滤器下游部分中启动再生，且停用所述N个区域中的其它区域。
在其它特征中，所述N个区域中的所述其它区域提供应力减轻区域。所述N个区域布置在中心部分、在所述中心部分的径向外部的第一圆周部分和在所述第一圆周部分的径向外部的第二圆周部分中。所述中心部分包括第一区域。所述第二圆周部分包括所述第一区域、第二区域和第三区域。所述第一、第二和第三区域围绕所述第二圆周部分交替。所述第一圆周部分包括交替的第四和第五区域。
进一步的应用范围从在此提供的说明显而易见。应当理解，说明和具体示例仅为图示说明的目的，且不限定本公开的范围。
附图说明
本文所示的附图仅仅是示意性目的，而不是以任何方式限制本公开的范围。
图1是示范性发动机的功能方块图，包括带有分区进口加热器的电加热微粒(PM)过滤器；
图2更详细地图示了图1的电加热微粒(PM)过滤器的分区进口加热器的示范性分区；
图3更详细地图示了图1的电加热PM过滤器的分区进口加热器的示范性分区；和
图4图示了图3的分区进口加热器中的区域之一中的示范性电阻加热器。
具体实施方式
下面的描述实质上仅仅是示意性的，而不是限制本公开、应用或使用。应当理解，在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
如在此使用的，术语“模块”指的是特殊应用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或更多软件或固件程序的处理器(共享、专用、或群组)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其它适当部件。
本公开采用在整个电加热PM过滤器的进口上分布的加热器区域。加热器区域以使得热应力在起用的加热器之间减轻的方式隔开。因此，由于加热引起的总体应力更小，且在整个电加热PM过滤器的容积上分布。该途径允许在电加热PM过滤器的较大的部分中再生，而不产生损坏电加热PM过滤器的热应力。
最大温度梯度在加热器的边缘处产生。因而，起用越过另一加热器的局部化应力区域的一个加热器允许更多的主动加热的再生体积而不增加总体应力。这趋于改进驾驶循环中的再生机会，且减少成本和复杂性，因为系统不需要独立地再生那么多的区域。
现在参见图1，根据本公开示意性地图示了示范性柴油发动机系统10。应当理解，柴油发动机系统10实质上仅为示范性的，且在此所述的区域加热的微粒过滤器再生系统可以用于采用微粒过滤器的各种发动机系统中。这种发动机系统包括但不限于：汽油直接喷射发动机系统和均质充气压燃发动机系统。为了讨论简单，本公开将关于柴油发动机系统讨论。
涡轮增压的柴油发动机系统10包括发动机12，发动机12燃烧空气和燃料混合物产生驱动转矩。空气通过空气过滤器14进入系统。空气通过空气过滤器14且被吸入涡轮增压器18。涡轮增压器18压缩进入系统10的新鲜空气。总体上来说空气压缩越大，发动机12的输出越大。然后，压缩空气在进入进气歧管22之前通过空气冷却器20。
进气歧管22中的空气分配到汽缸26中。虽然图示了4个汽缸26，本公开的系统和方法可以用于具有多个汽缸的发动机中，包括但不限于：2、3、4、5、6、8、10和12个汽缸。也应当理解，本公开的系统和方法可以用于V型汽缸结构。燃料通过燃料喷射器28喷入汽缸26中。来自压缩空气的热点燃空气/燃料混合物。空气/燃料混合物的燃烧产生排气。排气离开汽缸26进入排气系统。
排气系统包括排气歧管30、柴油氧化催化剂(DOC)32、和带有分区进口加热器35的微粒过滤器(PF)34。可选地，EGR阀(未示出)将部分排气再循环回到进气歧管22中。排气的其余部分引入涡轮增压器18以驱动涡轮。涡轮利于从空气过滤器14接收的新鲜空气的压缩。排气从涡轮增压器18流动通过DOC32，通过分区进口加热器35且进入PF34。DOC32基于后燃烧空气/燃料比氧化排气。氧化量增加排气的温度。PF34从DOC32接收排气且过滤排气中存在的任何碳烟微粒。分区进口加热器35加热排气至再生温度，如下所述。
控制模块44基于各种感测信息控制发动机和PF再生。更具体而言，控制模块44估计PF34的载荷。当所估计的载荷达到预定水平且排气流率在希望范围内，电流经由电源46被控制到PF34以启动再生过程。再生过程的持续时间可以基于PF34中的微粒的估计量变动。
在再生过程期间，电流施用于分区进口加热器35。更具体而言，电能分别加热PF34的分区进口部分35的选定部分达预定时间段。通过前表面的排气由起用的区域加热。再生过程的其余部分使用由PF34的已加热面附近存在的微粒的燃烧或由通过PF的已加热排气产生的热实现。
现在参见图2，更详细地示出了用于PM过滤器34的示范性分区进口加热器35。电加热PM过滤器34包括多个隔开的加热器区域，包括区域1(带有子区域1A、1B和1C)、区域2(带有子区域2A、2B和2C)和区域3(带有子区域3A、3B和3C)。区域1、2和3在各个不同的时间段期间起用。
当排气流动通过已起用的区域时，再生在从已起用的区域下游的PF的相应部分中发生。不在已起用的区域下游的PF的相应部分用作应力减轻区域。例如，在图2中，子区域1A、1B和1C被起用，而子区域2A、2B、2C、3A、3B和3C用作应力减轻区域。
已起用的加热器子区域1A、1B和1C下游的PM过滤器的相应部分在加热和冷却期间热膨胀和收缩。应力减轻子区域2A和3A、2B和3B、以及2C和3C减轻由加热器子区域1A、1B和1C的膨胀和收缩引起的应力。在区域1完成再生之后，区域2可以起用，且区域1和3用作应力减轻区域。在区域2完成再生之后，区域3可以起用，且区域1和2用作应力减轻区域。
现在参见图3，示出了另一示范性分区进口加热器布置。中心部分可以由包括第一圆周区域带的中间区域环绕。中间部分可以由包括第二圆周区域带的外部部分环绕。
在该示例中，中心部分包括区域1。第一圆周区域带包括区域2和3。第二圆周区域带包括区域1、4和5。借助于上述实施例，起用区域的下游部分再生，同时停用区域的下游部分提供应力减轻。可以理解，每次可以起用区域1、2、3、4和5中的一个。所述区域的其它区域保持停用。
现在参见图4，示出了靠近图3中的第一圆周区域带中的区域中的一个(例如，区域3)布置的示范性电阻加热器200。电阻加热器200可以包括覆盖相应区域的一个或更多线圈以提供足够的加热。
使用中，控制模块确定PM过滤器何时需要再生。可替换地，再生可以周期性地或基于事件进行。控制模块可以估计整个PM过滤器何时需要再生或PM过滤器中的区域何时需要再生。当控制模块确定整个PM过滤器需要再生时，控制模块顺序地每次起用所述区域中的一个以在PM过滤器的相关下游部分中启动再生。在一个区域再生之后，另一区域起用同时其它区域停用。该方法继续，直到所有区域都已经起用过。当控制模块确定所述区域中的一个需要再生时，控制模块启用与需要再生的PM过滤器的相关下游部分相对应的区域。

Claims (18)

1.一种发动机系统，包括：
具有进口以接收排气的微粒过滤器；
分区进口加热器，所述分区进口加热器布置在所述进口中且包括电阻加热器，所述电阻加热器包括N个区域，其中N是大于1的整数，所述N个区域中的每个包括M个子区域，其中M是大于1的整数；和
控制模块，所述控制模块配置成：选择性地起用所述N个区域中的一个以在从所述N个区域中的所述一个的所述微粒过滤器下游部分中启动再生，且停用所述N个区域中的其它区域；在所述一个区域再生之后，起用所述N个区域中的另一区域同时停用所述N个区域中的其它区域。
2.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，所述N个区域中的所述其它区域提供应力减轻区域。
3.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，所述N个区域位于中心部分、在所述中心部分的径向外部的第一圆周部分和在所述第一圆周部分的径向外部的第二圆周部分中。
4.根据权利要求3所述的发动机系统，其特征在于，所述中心部分包括第一区域，所述第二圆周部分包括所述第一区域、第二区域和第三区域。
5.根据权利要求4所述的发动机系统，其特征在于，所述第一、第二和第三区域围绕所述第二圆周部分交替布置。
6.根据权利要求4所述的发动机系统，其特征在于，所述第一圆周部分包括交替布置的第四和第五区域。
7.一种电加热微粒过滤器，包括：
具有进口以接收排气的微粒过滤器；
分区进口加热器，所述分区进口加热器布置在所述进口中且包括电阻加热器，所述电阻加热器包括N个区域，其中N是大于1的整数，所述N个区域中的每个包括M个子区域，其中M是大于1的整数，
其中，所述分区进口加热器配置成：选择性地起用所述N个区域中的一个以在从所述N个区域中的所述一个的所述微粒过滤器下游部分中启动再生，且停用所述N个区域中的其它区域；在所述一个区域再生之后，起用所述N个区域中的另一区域同时停用所述N个区域中 的其它区域。
8.根据权利要求7所述的电加热微粒过滤器，其特征在于，所述N个区域中的所述其它区域提供应力减轻区域。
9.根据权利要求7所述的电加热微粒过滤器，其特征在于，所述N个区域布置在中心部分、在所述中心部分的径向外部的第一圆周部分和在所述第一圆周部分的径向外部的第二圆周部分中。
10.根据权利要求9所述的电加热微粒过滤器，其特征在于，所述中心部分包括第一区域，所述第二圆周部分包括所述第一区域、第二区域和第三区域。
11.根据权利要求10所述的电加热微粒过滤器，其特征在于，所述第一、第二和第三区域围绕所述第二圆周部分交替布置。
12.根据权利要求10所述的电加热微粒过滤器，其特征在于，所述第一圆周部分包括交替布置的第四和第五区域。
13.一种控制发动机的方法，包括：
设置具有进口以接收排气的微粒过滤器；
设置分区进口加热器，所述分区进口加热器布置在所述进口中且包括电阻加热器，所述电阻加热器包括N个区域，其中N是大于1的整数，所述N个区域中的每个包括M个子区域，其中M是大于1的整数；
选择性地起用所述N个区域中的一个以在从所述N个区域中的所述一个的所述微粒过滤器下游部分中启动再生，同时停用所述N个区域中的其它区域；和
在所述一个区域再生之后，起用所述N个区域中的另一区域同时停用所述N个区域中的其它区域。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述N个区域中的所述其它区域提供应力减轻区域。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括将所述N个区域布置在中心部分、在所述中心部分的径向外部的第一圆周部分和在所述第一圆周部分的径向外部的第二圆周部分中。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述中心部分包括第一区域，所述第二圆周部分包括所述第一区域、第二区域和第三区域。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第一、第二 和第三区域围绕所述第二圆周部分交替布置。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第一圆周部分包括交替布置的第四和第五区域。 
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